Étude des propriétés interfaciales dynamiques à l'aide d'un tensiomètre microfluidique : approche expérimentale et multi-échelle

La compréhension du transport de masse des tensioactifs est cruciale pour l'optimisation de procédés industriels qui impliquent la création d'interfaces comme les émulsions et les mousses. Le temps de formation de ces systèmes dispersés est de l'ordre du temps de création des gouttes et/ou des bulles, soit inférieur à 10 ms. A cette échelle de temps, le transport de masse des tensioactifs n'est plus limité par la diffusion/convection, mais par l'adsorption à l'interface. Or, les méthodes classiques de tensiométrie se limitent à des temps supérieurs à la seconde, où la diffusion est généralement limitante. L'objectif est de dissocier et de caractériser les deux mécanismes de diffusion/adsorption en combinant les techniques de tensiométrie classique et les outils microfluidiques récemment développés. En microfluidique, il est possible de reproduire des conditions temporelles similaires à celles des procédés industriels (t<10 ms), favorable à l'adsorption. Cette thèse, menée à IFP Energies nouvelles, propose une approche expérimentale couplée à une étude théorique des différents mécanismes. Deux tensiomètres microfluidiques sont étudiés : le EDGE et le Gamma-Drop. Développé à l'Université de Wageningen (WUR, Pays-Bas), le EDGE permet de déterminer la tension interfaciale à partir de la pression de Laplace. La dynamique de transport de tensioactifs non ioniques de la famille des CiEj à l'interface eau/hexadécane est mesurée à partir de 10 ms. Les résultats expérimentaux sont comparés aux modèles théoriques de transport et nous montrons que ce système modèle est limité par l'adsorption à l'interface. Grâce à la géométrie particulière du tensiomètre microfluidique EDGE, la diffusion n'est pas limitante dans le transport des tensioactifs. Un modèle rigoureux développé à partir des théories de Langmuir, Diamant et Andelman permet d'extraire les paramètres cinétiques de l'adsorption pour ce système. Le Gamma-Drop est un tensiomètre microfluidique développé à IFP Energies nouvelles composé de deux capillaire coaxiaux imbriqués. La méthode de détermination de la tension interfaciale repose sur l'instabilité de Rayleigh-Plateau. Lors de l'injection de deux fluides immiscibles, plusieurs régimes hydrodynamiques sont observés. La tension interfaciale est mesurée à la transition entre les régimes de gouttes et de jet. Les résultats obtenus avec les deux tensiomètres microfluidiques sont comparés et nous permettent de mieux comprendre les différents mécanismes de transport des tensioactifs selon les conditions expérimentales. Bien que l'interprétation des mécanismes de transport complexes présente encore des défis, ce travail a établi la tensiométrie microfluidique comme un outil puissant pour l'étude des processus limités par l'adsorption et a apporté de nouvelles perspectives à la recherche en science des interfaces. La modélisation théorique présentée dans cette thèse propose une approche rigoureuse pour décrire les processus d'adsorption à l'interface et pour déterminer les paramètres interfaciaux.